Fuel cells-简介.ppt

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,5.5 Fuel cells,1839 Grove,发明燃料电池,1889 Mond,和,Langer,首次采用燃料电池,60,年代燃料电池成功地用于阿波罗登月飞船,燃料电池是一种等温并直接将储存在燃料和氧化剂中的化学能高效,(50%,70%),、环境友好地转化为电能的发电装置,也是一种新型的无污染、无噪音、大规模、大功率和高效率汽车动力和发电设备,1,燃料电池的工作原理和特点,（,1,）工作原理,燃料电池将燃料氧化反应所释放的化学能直接转化为电能,与一般电池不同的是,在燃料电池中燃料及氧化剂,(,空气与氧气,),可以连续不断地供给电池,反应产物可以连续不断地从电池排出,同时连续不断地输出电能和热能。,燃料电池可视为一种特殊的发电装置。,(-)Re,electrolyte,Ox(+),(+),氧化剂,氧（空气），过氧化氢,(-)H,2,肼，烃,electrolytes:KOH,H,3,PO,3,membranes,不同燃料电池的基本反应都是燃烧反应,e.g.(-)H,2,electrolyte,O,2,(+),(-)H,2,2H,+,+2e,(+)O,2,+4H,+,+4e 2H,2,O,2H,2,+O,2,2H,2,O,(2),燃料电池的特点,A,能量转化效率高,在燃料电池中,燃料不是被燃烧变为热能,而是直接发电,不受卡诺热机效率的限制,理论上能量转化效率在,90%,以上,实际效率可望在,80%,以上,理论转换效率：,实际转换效率,B,比能量和比功率高,封闭体系蓄电池与外界没有物质的交换,比能量不会随时间变化,但是燃料电池由于不断补充燃料,随着时间延长,其输出能量也越多,C,污染小,D,可靠性高,电池组合是模块结构,维修方便,;,处于额定功率以上过载运行时,它也能承受而效率变化不大,;,当负载有变化时,它的响应速度也快,E,适用能力强,可以使用多种初级燃料,包括火力发电厂不宜使用的低质燃料,设备占地面积小,建设工期短,2,燃料电池分类,按燃料的类型可分为：,1,）直接型：直接燃料,2,）间接型：重整燃料（如天然气、煤等）,3,）再生型：产物再生为反应物,直接型和再生型燃料电池类似于一般的一次电池和二次电池,按电解质的种类可分为,碱性氢氧燃料电池,(,),磷酸盐型燃料电池,(,),固体氧化物型燃料电池,(,),熔融碳酸盐型燃料电池,(,),聚合物离子膜型燃料电池,(,),(1),碱性氢氧燃料电池,(AFC,Alkaline fuel cell),20,世纪,50,年代起美国就开始对碱性燃料电池进行研究,并在,60,年代中期成功地用于,Apollo,登月飞行,优点在于除贵金属外,银、镍以及一些金属氧化物都可以作电极催化剂,它的阴极性能也比酸性体系要好,而且电池的结构材料也较便宜,缺点在于对,CO,2,和,N,2,十分敏感,故不适用于地面。目前主要用作短期飞船和航天飞机的电源,(2)PAFC,phosphorous acid fuel cell,采用,H,3,PO,4,液体做电解质,工作温度,180,使用,Pt,做催化剂,特点,:,发电效率在,35,43%,之间,热电联供时总效率为,71,85%,洁净、对环境污染小,振动和噪声污染也很小,满负荷运行可达到,40000h,电池的输出电压的降低不大于,10%,装置紧凑,检修空间小,维修困难,PAFC,电站可以使用各种气态或液态燃料,如天然气、液化石油气、甲醇、煤油、沼气等,(3)SOFC,Solid oxide fuel cell,SOFC,工作温度高达,1000,反应速度快,不需要贵重金属做催化剂,不存在电解质腐蚀金属问题,碳氢化合物燃料可自动在燃料电池内部重整,燃料中杂质对电池的性能、寿命影响小,燃料转换效率高,高温余热可很好利用,主要问题：,固体氧化物电解质所用的陶瓷材料脆性大,目前仍很难制造出大面积的固体电解质膜,这严重制约了建造大功率,SOFC,；,电流密度小、电压降高、制造工艺复杂、成膜设备昂贵等,(4)MCFC,Molten carbonate fuel cell,MCFC,的电解质由,LiCO,3,和,K,2,CO,3,组成,工作温度在,650,左右,阴极、阳极电化学反应快,无需贵金属催化剂。,可以对天然气、煤炭气化燃料进行内部重整,直接加以利用。不需要复杂昂贵的外重整设备,燃料转换效率高,余热利用效率也较高,但,MCFC,在高温下长期工作时电解质损失造成的电池失效、隔板腐蚀对电池寿命的影响,以及镍电极缓慢溶解所造成的性能下降都是有待解决的课题,(5)PEMFC,Proton exchange membrane fuel cell,PEMFC,由若干单电池串联而成。单电池由表面涂有催化剂的多孔阳极、多孔阴极和置于其间的固体聚合物电解质构成。,优点,:,工艺结构简单,开发投入相对较少,可室温下快速起动投入运行,不使用腐蚀性电解液,安全可靠,按负载要求,系统规模可大可小,比功率高,特别适用于军用或民用的可移动电源及电动车辆,发电时无噪声,而且红外信号很弱,在军事领域有着极其重要的用途,目前在,PEMFC,研究中存在的主要技术关键,:,Pt,/C,催化剂的制备,制备,Pt,高度分散的电催化剂是减少,Pt,用量和降低电池成本的重要途径,电极、膜三合一制备工艺,电极与膜采用热压合减小接触电阻,电极内全氟磺酸树脂与膜熔合,提供,+,通道,提高,Pt,利用率,;,电极扩散层的制备工艺,电池组内平衡与热平衡,氢的安全储存、供给以及富氢燃料的转化,3,燃料电池的发展,（,1,）试验室研究阶段,1840,1952,A 1840,年前后（,18391942,）,W R Grove,）发表了数篇关于氢氧气体电池的论文,发明氢氧气体电池,Grove,电池输出电流很小,无实用价值,但对以后燃料电池的发展具有深刻影响,第一次提出用氢作为燃料电池直接燃料电极,至今氢仍然是燃料电池研制的主要课题。,第一次提出反应气体、电解液和导电电极催化剂三相反应区的概念。至今,如何制取尽可能扩展的、稳定的三相反应区的气体扩散电极,仍然是燃料电池研制的主要课题,B,固体炭燃料电池的探索,氢为燃料太贵，,Grove,之后许多学者对固体碳燃料电池进行了多方面研究,但都未获成功,原因,:,碳很难进行电化学反应,天然碳中含有灰分,不易清除且污染电解质,固体物质难于连续输送,最终放弃了以固体碳为直接燃料的努力,而以固体碳燃料经过气化而得到的气体燃料为燃料电池的间接燃料。,C,培根电池,燃料电池的里程碑,1952,年,F T Bacon,研制出培根电池并获得专利,采用双层孔径烧结镍电极,27,37,的,KOH,水溶液电解质,纯氢和纯氧为燃料和氧化剂,副产物是纯水,工作温度,200,250,气压,2.7,5.4MPa,，电流,1A/cm,2,电压,0.8V,培根电池专利转让给美国普拉特,惠特尼飞机公司,并改进成阿波罗登月飞船电源。当时,这是唯一能满足要求的电池,假如没有这种高性能电池,登月计划是难于实现的。,(2),实用性开发阶段,航天用燃料电池的开发,A,质子交换膜燃料电池（,PEMFC,）,1965,年美国,GE,公司首先开发成功,应用于,Gemini,号宇宙飞船。采用聚苯乙烯磺酸膜,不耐氧化,寿命只有,500h,。,1983,年加拿大国防部资助,Ballard Power Co.,又进行了,PEMFC,的研究。在加拿大、美国等国科学家的共同努力下，,PEMFC,取得了突破性进展，电池寿命可达,5000h,。,由于碱性燃料电池在航天应用中已定型,所以经改进,性能优异的质子膜燃料电池在航天领域的应用有向再生式燃料电池发展的趋势,B,碱性电解质燃料电池（,AFC,）,阿波罗宇宙飞船用改进的培根电池（,PC3A-2,型）,性能,:,工作电压,27-31V,输出功率,563-1420W,工作寿命,400h,，最大输出功率,2295W,阿波罗号载人飞船从,1968,年,10,月,11,22,日的阿波罗,7,号到,1992,年,12,月,7,19,日阿波罗,17,号,共计,11,次飞行,所用电池都是,PC3A-2,型改进的培根型氢氧燃料电池,.,该电池后来也用在太空实验室作为电源,石棉膜碱性,H,-O,燃料电池,PC17-C,型,PC17-C,型电池组工作温度,83,工作压力,0.41MPa,平均输出功率,7kW,峰值功率,12kW,电压,27.532.5,。寿命,2500h,，可供多次飞行,直到累积飞行时间达,2000H,为止,1981.4,哥伦比亚号航天飞机首次飞行,1983.4,挑战者号第一次飞行,1991.11,阿德兰契斯号航天飞机,都用石棉膜碱性燃料电池为搭载电源,前后共,50,余次飞行,累积飞行时间超过,27000h,燃料电池电站的开发,1894,年,Ostward“,电化学燃烧”梦想,PAFC,电站的开发,1967,1976,年间,美国普拉特,惠特尼航空公司与美国,32,家煤气和电力公司联合组成一个大财团,Team to Advanced Research for Gas Energy Transformation,（,TARGET,）。开发供家庭及小工商用户使用的以天燃气为燃料的,PAFC,供电装置。开发出,65,台,PC11A-2,型,12.5kW,的发电装置,在美、加、日等国,35,个地方进行现场实验,都运行了,3,个月以上,取得宝贵数据。,1971,年美国,DOE,委托,UTC,联合,9,个电力公司研究,PAFC,在电力工业上的应用,目标为开发公用事业的,PAFC,称为,FCG-1,计划（,Fuel cell Generator-1,）,1971,年,1978,年经过,1,试运行后,建造两台,4.5,（一台在纽约,一台在东京）,PAFC,电站。,东京一台于,1984,1985,试运行一年,累计发电,5000MWh,效率,37%,1984,年日本东芝公司与美国,UTC,组成国际燃料电池公司（,IFC,）。,IFC,与,EPRI,、,DOE,合作开发了,11MW PAFC,（,PC-23,）。,1991,年,4,月在日本东京开始试运行,现已并网发电,为东京湾,4000,户家庭供电,MCFC,电站的开发,MCFC,电站,工作温度,650,具有余热利用价值高,无需贵金属催化剂,可用脱硫煤气为燃料,为第二代燃料电池电站,美国,ERC,公司早在,70,年代就进行,MCFC,研究,80,年代以后转为重点开发,开发的,2MW,天然气内重整,MCFC1994,年底试运行,1997,年,3,月因电压不正常而停机,MCFC,电站的开发目标是与煤制气技术结合,建设大型电站。,SOFC,电站的开发,SOFC,的工作温度是,800,1000,可提供优质余热,可采用含,CO,及烃类燃料,无需贵金属催化剂及特殊燃料予处理装置,电池不含强酸强碱等腐蚀性介质,为第三代燃料电池电站,美国,1937,年制成第一个,SOFC,但由于技术复杂和材料的制约,SOFC,发展缓慢。年代以后,美国西屋公司将电化学气相沉积技术应用于,SOFC,电解质及电极薄膜的制备,使电池内阻显著下降,电池性能明显提高,目前西屋公司的圆管式,25kW,级,SOFC,发电装置在日本东京和大阪各有一台进行现场演示。,1997,年报导已运行,13000h,衰降小于,0.1%/1000h,并经受了,11,次启动循环。,SOFC,开发的最大动力在于该种燃料电池若与燃气轮机等其他发电方式结合运行,有可能获得比,MCFC,更高的发电效率。,电动汽车用燃料电池的开发,美国能源部提出,2000,年前完成质子交换膜燃料电池为动力的电动车研制，,2005,年商业化,美、加、德、日等国已有近二十家公司从事电动车的研制和开发，采用,Ballard,公司的燃料电池从事电动车开发的公司有,11,家,1997,年加拿大,Ballard,公司、德国奔驰公司和美国福特公司共同投资,4.5,亿加元,成立燃料电池有限公司,开发燃料电池车用发动机,BPS,公司电动车用,PEMFC,有三代产品,第一代,MKS,电源,:,平均单体电压,0.57V,输出功率,5kW,功率密度,150W/L,加拿大,1993,年展示第一辆,PEMFC,公共汽车,用高压氢为燃料,载客,20,人,行驶,160km,，起动时间,20s,时速,48km,峰值时速,72km,，,PEMFC,电池组占汽车总体积,25%,第二代,MKS12,电源,:,平均单体电压,0.58V,输出功率,13kW,，功率密度,300W/L,占据与柴油机相同的空间,1995,年用,20,个,MKS13,电池,组成,200kW PEMFC,电源发动机,装成第二代,PEMFC,交通车,长,12m,。以高压氢为燃料可行驶,400km,载客,60,人,最高时速,95km,第三代,MKT,电源,:,平均单体电压,0.68V,输出功率,32.3kW,，功率密度达,1000W/L,700W/kg,，已满足并超过汽车制造商要求,1996,年开始用该种电池堆制造,23,辆轻型电动车提供交通公司按常规进行道路试验,德国奔驰汽车公司与,BPS,合作,1994,年制出,30kW,可乘,2,人的,NECAR,型,PEMFC,小汽车,1996,年制出,50kW,可乘,6,人的,NECAR,型,PEMFC,汽车,1997,年底展示了,NECAR,型,PEMFC,电汽车可乘人,该车以甲醇为燃料,1999,年开发了以液氢为燃料的,NECAR,型,PEMFC,电动车,是四座小轿车,用,5kg,液氢可行驶,450km,。,2000,年,6,月在北京召开的第,13,届世界氢能大会上宣布,NECAR,型电动小轿车一万公里行车试验主要数据为热效率,35.5%,由于使用液氢,需一定的泄漏量,;,实际,MK7,的电池效率为,65%,系统效率为,45%,50%,。相对比,内燃机的效率为,22,23%,。,4,中国,燃料电池的发展,中国燃料电池的研究始于,1958,年,1958,1970,探索性及基础性研究,70,年代 燃料电池产品的研制高潮,主要开发项目：航天用碱性氢氧燃料电池。,70,年代末,由于总体计划的变更而中止,地方政府投资与使用部门合作的碱性燃料电池应用研究,最后都由于种种原因未能投入实际应用,积累了技术经验,80,年代 研究及开发工作处于低潮,90,年代以来,又一次燃料电池研究开发热潮,1996,年,8,月,24,日第,59,次香山科学会议,“燃料电池的研究现状与未来发展”的专题研讨,代表们一致认为,:,在中国开展燃料电池的研究与开发具有重要意义,鉴于在国外技术已成熟并进入商品开发阶段,中国应主要集中研制、及,近期以为主攻方向。,1997,年末,燃料电池技术列为国家“九五”重大科技攻关项目,